霍爾傳感器電機測速綜合改進技術研究

張斯其

(中國核動力研究設計院，成都 614106)

霍爾傳感器電機測速綜合改進技術研究

張斯其

(中國核動力研究設計院，成都 614106)

摘 要：研究了一種基于霍爾傳感器的位置及轉速估算改進技術。針對傳統霍爾傳感器測速方案在不同轉速下的測量結果存在較大誤差的問題，綜合了2種傳統算法的優點，在不同的速度區間內采用不同的采樣周期，使用動態更新采樣周期的方式，有效地平衡了電機在不同轉速下對于實時性和采樣精度的要求。實驗結果與理論分析均表明，相較于傳統算法，位置及轉速估算改進技術對采樣精度和系統動態性能上均有較大提高。

關鍵詞：開關霍爾傳感器；永磁同步電機；轉子位置估算；矢量控制

0 引 言

電機轉子位置與轉速信息對于采用矢量控制的電機系統必不可少。但由于設計成本以及安裝尺寸的限制，同時考慮到轉速信息采樣算法的復雜性以及采樣的準確性，基于開關霍爾傳感器的位置檢測方案有著明顯的優勢。開關霍爾傳感器成本低廉，體積小巧，安裝和維修過程簡單方便，在工業、家用電器、船舶、航天等領域有著廣泛的應用，尤其適合一些成本低，同時對電機位置和轉速要求分辨率不高的采樣系統。

1 霍爾傳感器位置及轉速估算原理

霍爾傳感器位置及轉速估算主要是對于開關霍爾狀態切換信息的處理以及計算。為了保證電機位置估算的精確度，通常采用對稱布置的三相霍爾傳感器來對電機位置進行檢測。三相霍爾傳感器可以提供6個電機轉子的位置信號，且這6個信號是準確的。相比于單相和兩相霍爾傳感器，在精度上有了較大的提高，且這種空間上的均勻分布，也使得霍爾傳感器的輸出信號與電機反電動勢信號存在一定的對應關系，如圖1所示。

從圖1中可以看出，由于霍爾位置在空間上的對稱分布，使得3個霍爾傳感器的輸出信號相位互差120°，且占空比為50%。檢測到當前霍爾信號的變化后，將當前信號與之前所在扇區的霍爾信號進行比較，從而確定電機轉子當前所在位置，進一步通過算法可以估算出轉子的位置和轉速信號。

但是由于霍爾傳感器只能提供6個準確的位置信號，無法在電機連續運行時提供轉子在每個扇區內準確的位置信號，這就需要利用這6個準確的位置信號來對電機的真實位置進行估算。假設θ0為所在某一扇區的轉子初始角度，在理想情況下轉子位置的表達式：

(1)

假設檢測到2次霍爾輸出狀態改變的間隔時間為Δt，則可根據式(2)計算得到電機轉子的當前轉速：

(2)

同樣，電機轉子的位置也可以通過式(3)進行計算，在每一個檢測周期內均認為電機轉子為勻速運行：

θ(t)=θ0+ωn(t)Ts

(3)

式中：θ為當前電機轉子的電角度；Ts為采樣間隔；ωn為轉子轉速。

同時當霍爾傳感器邊沿到來時，對所計算出的轉子位置進行自校驗，將轉子位置定位于霍爾傳感器輸出信號的邊沿位置。這樣可以清除每一個扇區內由于電機轉速突變帶來的位置計算誤差，增加位置信號的計算精度。

霍爾傳感器對于電機轉子位置和轉速計算的誤差主要來源于以下2個方面。

一是霍爾傳感器自身設計和在電機轉子內部安裝過程中產生的固有誤差。原因是霍爾傳感器在轉子內部安裝時很難做到完全的三相對稱，總是存在一定的安裝誤差，如圖2所示。以及霍爾信號半周期輸出的不對稱，如圖3所示。這都會導致電機反電動勢波形與霍爾輸出信號不同步。

圖2 霍爾傳感器的反電動勢檢測誤差

圖3 霍爾傳感器的半周期誤差

二是算法中產生的誤差。以實際運行參數為例，在低速和高速情況下，由于電機轉速的差別非常明顯，使得霍爾計數值以及霍爾狀態轉換之間的時間間隔在不同速度區間下差距明顯，如表1所示。在高速情況下算法對于轉子轉速和位置的估算出現較大的誤差。

表1 不同轉速下霍爾采樣算法情況統計

續表

2 位置檢測算法的改進技術研究

本文對基于霍爾周期采樣的電機轉子測速算法進行改進。采樣周期仍然選用電氣周期，但是在采樣周期的選取中引入堆棧的概念，在電機運行過程中，6個霍爾狀態連續更新，在每個新的換相周期到來時，將2個霍爾信號更新周期的時間間隔Δtn+7加入電周期ΔT，將6個狀態之前的時間間隔Δtn替換出去，與之前采樣得到的5個Δt相加得到新的計算電周期，利用新得到的Δt來對電機轉速進行計算。如圖4所示。那么電機轉子轉速可用式(4)計算得到：

(4)

圖4 霍爾傳感器測速改進方案

這種選取電氣周期進行計算的方法雖然排除了霍爾傳感器安裝過程中所帶來的誤差，而且采用采樣時間動態更新的方式，大大提高了原有算法的動態性能，但是在一些對實時性要求更高的場合，這種算法仍然存在一定的滯后，因此要對算法進行進一步的改進。

在電機轉速較低時，電機對于負載的變化較為敏感，系統運行過程中對于傳感器的采樣速度要求較高，此時可以選用2個霍爾信號變化的時間間隔，即一個霍爾換相周期作為采樣周期。當電機轉速升高，2個霍爾信號變化時間間隔變短，計數值變小，影響到采樣精度時，可以選取間隔的2個霍爾信號變化時間作為采樣周期。當轉速進一步提高時，采樣精度進一步下降，可以采用更多的霍爾信號變化時間組合成為采樣周期。如圖5所示。

圖5 霍爾傳感器測速綜合改進方案

(5)

ta的時長：

(6)

則使用此時的計算周期ΔTa計算出的電速度：

(7)

由此可得出電機的平均轉速：

(8)

檢測誤差可由下式得到：

(9)

根據式(9)可知，改進型的霍爾綜合測速算法的檢測誤差與a值相關，也就是一個采樣周期ΔTa內所含有的霍爾信號變化數目，選擇合適的a值可以有效地控制霍爾傳感器的采樣誤差，從而達到更好的控制效果。

大量的實驗表明，當2次采樣時間的間隔內，計數值保證在80以上時，可以有效地保證采樣精度，此時通過算法計算得到的速度精度好。因此在算法設計過程中，將a設定為可變參數，當檢測到2次采樣間隔中的計數值小于80時，就增大a的數值，增大采樣區間；當檢測到2次采樣間隔中的計數值大于200時，則減小a的數值，縮小采樣區間，提高系統的動態性能。算法中使用的轉速區間與采樣時間的對應關系如表2所示。

表2 不同轉速區間內的采樣時間

3 基于開關霍爾傳感器的永磁同步電動機控制器設計

基于開關霍爾傳感器的永磁同步電動機控制系統硬件電路主要由單片機控制器、主功率電路和位置檢測電路組成。其拓撲結構如圖6所示。

圖6 硬件電路總體設計

主功率電路采用三相全橋式結構，利用霍爾傳感器以及電機位置和轉速估算算法，對永磁同步電動機進行矢量控制。

4 實驗結果

實驗所使用的對稱安裝的三相霍爾傳感器輸出信號如圖7所示。從中可以明顯看出，由于三相霍爾傳感器安裝的誤差，使得三相霍爾傳感器的輸出并不對稱。如圖8所示，霍爾信號與反電動勢信號存在明顯的角度誤差，而且這一誤差在每一相霍爾上的表現并不相同，為了消除這些誤差，重新設計估算算法非常有必要。

圖7 霍爾信號安裝誤差

圖8 霍爾信號與反電動勢檢測誤差

圖9和圖10分別為轉速為600 r/min時改進算法與傳統算法的轉速和位置估算結果。從圖9中可以明顯看出，傳統的基于霍爾換相周期的估算方法誤差很大，在轉速和位置波形中均出現了較大的跳變點，波動很大，電機運行時振動很大，轉矩輸出穩態精度較差。改進的可變周期的估算方法中，相比于傳統算法，位置和轉速估算結果都很平滑，電機轉矩輸出穩定。同時在這2種算法下電機運行電流也有著一定的差別，如圖11和圖12所示，改進后的算法相比于傳統算法電流波形的正弦度更好，電流輸出波形毛刺較少，沒有突變量。

圖9 基于傳統霍爾換相周期估算的角度與轉速

圖10 基于改進算法估算的角度與轉速

圖11 基于傳統霍爾換相周期的電機相電流

圖12 基于改進算法的電機相電流

實驗結果表明，改進的基于霍爾信號的位置速度檢測技術能夠提高電機位置和轉速估算的準確性，提高電機的控制性能。

5 結 語

針對傳統霍爾傳感器測速在不同轉速下的測量結果存在較大誤差的問題，本文研究了一種基于霍爾傳感器位置及轉速估算的改進技術，綜合了2種傳統算法的優點，在不同的速度區間內采用不同的采樣周期，使用動態更新采樣周期的方式，有效地平衡了不同轉速下對于實時性和采樣精度的要求。實驗結果與理論分析相吻合，均證明了該技術的有效性。

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ResearchonHallSensorMotorSpeedImprovementTechnology

ZHANGSi-qi

(Nuclear Power Institute of China,Chengdu 614106,China)

Abstract:An improved technique of position and speed estimation based on Hall sensor was analyzed. In view of the fact that the traditional Hall sensor velocity measurement scheme has different errors in the measurement results at different rotational speeds, the advantages of the two traditional algorithms were summarized. Different speed intervals were used in different sampling periods, effectively balancing the requirements for real-time and sampling accuracy for different motor speeds. Experimental results and theoretical analysis show that, compared with the traditional algorithm, the position and speed estimation techniques were greatly improved both in terms of sampling accuracy and system dynamic performance.

Key words：switch hall sensor; permanent magnet synchronous motor(PMSM); rotor position estimation; vector control

中圖分類號：TM464

A

1004-7018(2018)05-0031-04

2018-01-19

作者簡介：張斯其(1991—)，男，助理工程師，主要研究方向為一體化電機系統驅動與控制。

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